低浓度煤层气利用技术研究现状及应用展望

摘要：对当前我国煤层气抽采利用的现状及存在的问题进行了概述;根据抽采瓦斯浓度的不同，重点介绍了煤层气发电、蓄热氧化、物理萃取富集等各级低浓度煤层气主流利用技术的发展情况，并指出其中亟待解决的关键技术工艺难题及解决思路;分析强调了低浓度煤层气利用技术发展的重要性，并对其产业前景作出展望。

关键词：低浓度煤层气;梯级利用;发电;氧化;物理萃取;研究进展

引言

煤矿井下抽采瓦斯按浓度分3种利用方式：高浓度瓦斯利用（30%～90%CH4）、低浓度瓦斯利用（<30%CH4）、乏风瓦斯利我国瓦斯治理和利用严重滞后，成为煤矿安全生产的最大隐患。据统计，我国高瓦斯和瓦斯突出矿井占全部矿井的50%左右，每年瓦斯事故造成死亡人数占煤矿事故总死亡人数的40%。瓦斯治理和利用是减排温室气体、改善环境质量的有效手段。我国大多数矿井抽出的瓦斯属于中低浓度煤层气，用（<8%CH4）。煤矿区低浓度煤层气（煤矿瓦斯）的治理非常必要，然而作为民用燃料时，成分复杂，浓度不稳定，不能与天然气远距离混输混用，难以形成规模效益，除一部分用于瓦斯发电外，其余大都排入大气。煤层气利用的关键是CH4的浓缩，CH4体积分数超过90%才能用于生产压缩天然气（CNG）、液化天然气（LNG）或作为高效燃料并入城市天然气供应管网。发展低浓度煤层气浓缩技术是开发利用煤层气的关键。

1主要利用技术

1.1瓦斯直接利用

浓度90%以上的瓦斯其热值与天然气相当，可以通过输送管道直接送到终端用户，也可送入天然气管道与天然气混输混用，用于发电、居民工业燃料、化工原料等。高浓度瓦斯经过调压计量后进行压缩、净化可生产CNG产品，调压计量后进行压缩、净化、液化处理可得到LNG产品。通过生产CNG和LNG，瓦斯体积大幅缩小，便于运输，可直接作为汽车燃料使用，也可以减压汽化后作为居民和工业燃料，以及化工原料使用。此项技术与低浓度煤层气深冷液化技术的工艺流程相似，但已脱离本文研究范畴，故不再详述。

1.2瓦斯提纯

瓦斯提纯工艺是通过深冷液化，将煤矿瓦斯中的甲烷分离出来得到甲烷含量大于98%的天然气。深冷液化是利用甲烷和其他气体组分沸点的不同，在低温条件下对液体瓦斯进行蒸发精馏，得到高纯度甲烷液体，实现煤矿瓦斯中甲烷的分离。包括瓦斯储存、输送、压缩、净化、精馏、LNG储存，以及配套的制冷循环等工艺流程。

1.3瓦斯发电

现阶段瓦斯发电技术成熟工艺：①燃气锅炉带蒸汽轮机发电;②燃气轮机发电;③燃气内燃机发电。燃气锅炉带燃气轮机发电为传统的火电机组形式，工艺技术成熟，运行可靠，它是直接燃烧瓦斯，将热能通过锅炉将水转化为蒸汽，利用蒸汽带动汽轮机发电。余热蒸汽发电系统主要由燃气余热蒸汽锅炉、汽轮机、发电机、控制系统及辅机冷却系统构成。该系统的优点是对瓦斯要求比较低;缺点是工艺复杂，建设周期长，水消耗量大，能源利用率较低。燃气内燃机发电技术是利用往复式内燃机燃烧瓦斯燃料推动活塞连杆做功，进而将机械能转化为电能的发电系统。该技术运行灵活，发电可靠度高，启停时间短，机组运行稳定性好，且对瓦斯流量和浓度的使用范围较宽。其工作原理是：空气进入涡轮增压器，并导入内燃机气缸与瓦斯混合，通过电子点火后，推动活塞和曲轴运动，产生动力，带动发电机发电。主要设备包括燃气储备、加压和处理系统，循环冷却系统，润滑油系统，电气系统和控制系统。瓦斯内燃机发电技术通常利用瓦斯浓度为8%以上。

1.4瓦斯蓄热氧化利用

在系统启动时，通过电加热器或者燃烧燃料的方式将蓄热室中的蓄热填料进行预热，加热的目标温度应高于稀薄甲烷在蓄热填料通道内的点火温度。等预热完成进入稳定运行阶段时，瓦斯从其中一侧蓄热室通入（一般情况下混合气体中甲依次经历预热、氧化过程并变为高温烟气，经过燃烧室，从另外一侧蓄热室排出至烟囱。当此循环持续一段时间后，进气侧蓄热室温度逐渐降低，而出气侧蓄热室的温度逐渐升高，使得原有进气侧变为出气侧吸收热量，从而维持进气侧与出气侧床层温度处于适宜氧化反应的循环平衡状态。

2低浓度煤层气利用技术研究现状

2.1我国煤层气开采及利用现状

根据煤层气抽采规模及煤层气抽采浓度，目前我国煤层气利用方式主要有发电、提纯、民用或作为工业燃料等。1）瓦斯浓度在0.75%以下的矿井乏风，约占排放总量的60%，这部分流量大、浓度低的乏风瓦斯虽然大部分被直接排空未加利用，但低浓度煤层气蓄热氧化利用技术的发展形势良好，初步实现了工业化应用，逐渐成为矿井乏风瓦斯的主流利用技术。2）瓦斯浓度在0.75%～10%的低浓度煤层气，现阶段主要作为掺混气源结合其他利用技术加以利用。低浓度煤层气工业安全燃烧技术通过金属纤维燃烧器对处于爆炸界限的瓦斯气体直接燃烧，具有较好的应用前景。

2.2各级煤层气主流利用技术

其一，低浓度煤层气蓄热氧化技术。低浓度煤层气蓄热氧化技术通过将乏风或空气与抽采瓦斯掺混配制成瓦斯浓度约为1%的稳定气源，掺混气体进入蓄热氧化装置被加热、氧化并释放热量，随着蓄热氧化装置的周期换向，装置进入自维持运行的稳定状态。其二，低浓度瓦斯发电技术。目前，我国的煤层气发电产业发展迅猛，市场前景较好，但仍存在着开机率低、运行成本高、经济性差等亟待解决的难题。其三，低浓度煤层气物理萃取技术在煤层气提纯技术方面，针对瓦斯浓度大于30%的煤层气，通过深冷液化进行提纯浓缩已取得长足进步，并已进入工业化应用阶段。而对瓦斯浓度在30%以下甚至10%以下的低浓度煤层气，物理萃取富集提纯方面还处在实验室研究阶段。实现低浓度煤层气物理萃取富集甲烷，需要解决的技术瓶颈是甲烷与氮气、氧气的有效分离。

3低浓度煤层气利用技术应用展望

据统计，目前我国低浓度煤层气发电总装机容量约为200万kW，发电站400余座，低浓度煤层气发电产业前景广阔。煤矿大量10t以下的燃煤锅炉将被强制拆除或进行环保改造，以及煤层气利用中央财政补贴提高至0.3元/m3等利好消息，都将促进低浓度煤层气蓄热氧化利用技术的推广应用。另一方面，据估算，到2020年我国天然气的供需缺口将分别达到1000亿m3和1800亿m3左右。根据国家“十三五”规划，全国煤矿区煤层气抽采量将达到200亿m3，利用量达到120亿m3。而低浓度煤层气在我国煤层气抽采总量中占比约57%，因此，我国低浓度煤层气利用产业市场巨大、前景广阔。通过低浓度煤层气梯级利用技术与装备的深入研究，将为全浓度范围煤层气的利用提供至关重要的技术支撑，有力推动“协调开发、技术支撑、集成示范、提质增效、梯级利用”的总体战略规划的实施。

4结语

随着国家对节能减排要求的进一步提高，国家正在制定相关标准和政策，限制瓦斯排放，鼓励瓦斯利用，不能利用的则进行销毁处理。研究煤矿低浓度瓦斯利用技术，对于提高瓦斯利用率，减少煤炭企业的瓦斯排放，减少瓦斯对大气的污染，实现国家的节能减排目标，意义十分重大。

参考文献：

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